CN109361072A - 一种宽带双层圆极化微带阵列天线 - Google Patents

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刘晓滨
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Abstract

本发明公开了一种宽带双层圆极化微带阵列天线，包括下层辐射层、空气层、上层辐射层、馈电网络层和金属外壳，下层辐射层包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的8个下层金属圆形贴片；上层辐射层包括第二介质基板和位于第二介质基板上表面8个上层金属圆形贴片；上、下两层金属圆形贴片间采用旋转对称的馈电方式，第一介质基板下表面涂敷金属铜，并开设有8对放置同轴线的馈电孔；上层金属圆形贴片和下层金属圆形贴片同心放置，下层金属圆形贴片为激励单元，上层金属圆形贴片为寄生单元，所述两个金属圆形贴片形成两个谐振回路，二者间谐振频率一致。上述方案拓展了天线工作带宽，实现了通信天线的收发共用。

Description

一种宽带双层圆极化微带阵列天线
技术领域
本发明涉及一种宽带双层圆极化微带阵列天线，属于卫星通信领域中的天线技术领域。
背景技术
L/S频段卫星通信具有抗雨衰、终端体积小、不受恶劣天气影响的优点。采用L频段进行卫星通信的国外卫星移动通信系统，如海事卫星、欧星、铱星提供了高质量的通话、上网、传真、图片等，在国内外得到了广泛的应用。2016年8月，“天通一号”成功发射，这是我国首个卫星移动通信系统，该系统可以为车辆、飞机、船舶和个人等移动用户提供语音、数据等通信服务，因此有研制车、船载S频段卫星移动通信系统终端及天线的必要。
天线是卫星通信系统中的关键部件，用于接收并放大来自卫星的微弱小信号，同时将地面信号放大发送到卫星。天线的技术指标包括工作频段、增益、极化方式、极化隔离度、旁瓣、驻波等。天线的性能决定了通信系统通信信息速率和通信质量，因此S频段双层圆极化收发共用宽带天线是实现卫星移动通信系统终端的技术核心和关键。
该天线除具有高增益外，更关心天线的轻小，低剖面、便于安装等需求。与微带天线相比，螺旋天线尺寸高，难以满足低轮廓的需求，因此采用具有体积小、馈电方式灵活、具有薄型结构微带天线。
但是普通微带天线的带宽只有0.6％～3％，难以满足系统收发共用进行双向通信；同时要考虑系统高增益和低轴比的圆极化性能的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提供一种宽带双层圆极化微带阵列天线，以拓展天线工作带宽，实现通信天线的收发共用。
本发明的技术解决方案是：
一种宽带双层圆极化微带阵列天线，包括下层辐射层、空气层、上层辐射层、馈电网络层和金属外壳，下层辐射层包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的8个下层金属圆形贴片；上层辐射层包括第二介质基板和位于第二介质基板上表面8个上层金属圆形贴片；上、下两层金属圆形贴片间采用旋转对称的馈电方式，第一介质基板下表面涂敷金属铜，并开设有8对放置同轴线的馈电孔；上层金属圆形贴片和下层金属圆形贴片同心放置，下层金属圆形贴片为激励单元，上层金属圆形贴片为寄生单元，所述两个金属圆形贴片形成两个谐振回路，二者间谐振频率一致。
馈电网络层采用带状线结构的功分网络。
功分网络采用T型节等功率分配。
上层金属圆形贴片半径大于下层金属圆形贴片半径。
通过如下计算贴片半径：
f0＝(f01+f02)/2 (1)
de1＝d1，de2＝d1+d2+d3 (4)
其中：下层辐射层第一介质基板厚度为d1，介电常数为ε1，空气层厚度为d2，介电常数为ε2；上层辐射层第二介质基板厚度为d3，介电常数为ε3，下层金属圆形贴片半径为r1，上层圆形金属贴片半径为r2；
天线工作中心频率为f0，上下两层金属圆形贴片中激励单元和寄生单元的谐振频率分别为f01和f02，c为光速。
第一介质基板和第二介质基板间采用低介电常数的泡沫支撑。
天线同一单元两个馈电点正交，之间相位差为90度，实现天线的圆极化。
两行阵元间采用旋转对称的馈电方式，第一行天线单元馈电点相位为0°、90°，第二行天线单元馈电点相位为90°、180°。
由两行四列八阵元组成。
下层金属圆形贴片介电常数要不小于上层金属圆形贴片介电常数。
本发明c与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明本S频段收发共用圆极化微带阵列天线采用双层贴片的结构形式，拓展了天线工作带宽，实现通信天线的收发共用；
(2)本发明采用八阵元保证了天线的增益；
(3)本发明天线单元采用双点同轴馈电方式，阵元间馈电采用旋转对称结构，实现了天线的圆极化并降低了轴比，满足卫星通信的使用要求。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明微带辐射层结构示意图；
图3为本发明馈电网络层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种宽带双层圆极化微带阵列天线，包括下层辐射层1、空气层2、上层辐射层3、馈电网络层4和金属外壳5，下层辐射层1包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的8个下层金属圆形贴片；上层辐射层3包括第二介质基板和位于第二介质基板上表面8个上层金属圆形贴片；上、下两层金属圆形贴片间采用旋转对称的馈电方式，第一介质基板下表面涂敷金属铜，并开设有8对放置同轴线的馈电孔；上层金属圆形贴片和下层金属圆形贴片同心放置，下层金属圆形贴片为激励单元，上层金属圆形贴片为寄生单元，所述两个金属圆形贴片形成两个谐振回路，二者间谐振频率一致，从而形成频带大大展宽的双峰谐振回路，拓展天线工作频带宽度，实现天线的宽带收发共用。两层介质基板间理想状态为空气，为了保持结构稳定，采用低介电常数的泡沫材料做支撑。
通过如下计算贴片半径：
f0＝(f01+f02)/2 (1)
de1＝d1，de2＝d1+d2+d3 (4)
其中：下层辐射层第一介质基板厚度为d1，介电常数为ε1，空气层厚度为d2，介电常数为ε2；上层辐射层第二介质基板厚度为d3，介电常数为ε3，下层金属圆形贴片半径为r1，上层圆形金属贴片半径为r2；
天线工作中心频率为f0，上下两层金属圆形贴片中激励单元和寄生单元的谐振频率分别为f01和f02，c为光速；
所述的天线单元馈电采用同轴馈电方式，同一单元两个馈电点正交，之间相位差为90度，实现天线的圆极化。两行阵元间采用旋转对称的馈电方式，第一行天线单元馈电点相位为0°、90°，第二行天线单元馈电点相位为90°、180°，提高阵列天线轴比性能。
所述的馈电网络采用带状线，T型节等功率分配网络，所述的馈电层采用带状线结构的功分网络，功分网络采用T型节等功率分配形式，从馈电端口进行一分二、二分四、四分八的等功率分配到八阵元，馈电网络采用多次阻抗变换使得天线输入阻抗匹配，天线单元馈电口的相位差通过馈电线的长度进行调节。
实施例
如图1所示本实施例中金属外壳5为无盖采用长方体腔，采用金属铝加工，四个角进行圆弧倒角，馈电网络层4，下层辐射层1，支撑泡沫13以及上层辐射层3依次叠在金属外壳5底部，各层通过螺钉进行固定，金属外壳5底部开孔，馈电口SMA接头穿过底板，探针与馈电网络书入口接口相连。
如图2所示微带辐射层包括上下两层及中间的支撑部分。上层辐射层3为单面敷铜结构，包括第一介质基板11和位于第一介质基板上表面的8个上层金属圆形贴片12；下层辐射层1为双面敷铜结构，包括第二介质基板21、位于第二介质基板上表面的8个下层金属圆形贴片22和下表面为敷铜面23，第二介质基板每个圆形贴片下开有两个馈电通孔，使得同轴线内导体探针24、25连接天线下层贴片22与馈电网络层4，两馈电点24和25间的相位差为90°；第一介质基板11和第二介质基板21之间为低介电常数的泡沫做支撑层13。
上层金属圆形贴片12和下层金属圆形贴片22同心，根据设计及仿真计算上层贴片半径大于下层贴片，上层基板11介电常数等于下层介质基板21介电常数。上层介质基板11的厚度为d1，下层介质基板21的厚度为d3，上层介质基板的下表面与下层介质基板的上表面的垂直距离即支撑泡沫13的厚度为d2。
如图1所示，下层两行阵元金属贴片22间采用旋转对称的馈电方式，降低阵列天线的轴比。
如图3所示，馈电层采用双层敷铜的带状线结构，通过T型节等功率分配的网络，从馈电端口进行一分二、二分四、四分八的等功率分配到八阵元，馈电网络采用多次阻抗变换使得天线输入阻抗匹配，天线单元馈电口的相位差通过馈电线的长度进行调节。
以上所述的实施例，只是对本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，包括下层辐射层(1)、空气层(2)、上层辐射层(3)、(4)和金属外壳(5)，下层辐射层(1)包括第一介质基板和位于第一介质基板上表面的8个下层金属圆形贴片；上层辐射层(3)包括第二介质基板和位于第二介质基板上表面8个上层金属圆形贴片；上、下两层金属圆形贴片间采用旋转对称的馈电方式，第一介质基板下表面涂敷金属铜，并开设有8对放置同轴线的馈电孔；上层金属圆形贴片和下层金属圆形贴片同心放置，下层金属圆形贴片为激励单元，上层金属圆形贴片为寄生单元，所述两个金属圆形贴片形成两个谐振回路，二者间谐振频率一致。
2.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，馈电网络层(4)采用带状线结构的功分网络。
3.如权利要求2所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，功分网络采用T型节等功率分配。
4.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，上层金属圆形贴片半径大于下层金属圆形贴片半径。
5.如权利要求4所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，通过如下计算贴片半径：
f0＝(f01+f02)/2 (1)
de1＝d1,de2＝d1+d2+d3 (4)
其中：下层辐射层第一介质基板厚度为d1，介电常数为ε1，空气层厚度为d2，介电常数为ε2；上层辐射层第二介质基板厚度为d3，介电常数为ε3，下层金属圆形贴片半径为r1，上层圆形金属贴片半径为r2；
天线工作中心频率为f0，上下两层金属圆形贴片中激励单元和寄生单元的谐振频率分别为f01和f02，c为光速。
6.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，第一介质基板和第二介质基板间采用低介电常数的泡沫支撑。
7.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，天线同一单元两个馈电点正交，之间相位差为90度，实现天线的圆极化。
8.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，两行阵元间采用旋转对称的馈电方式，第一行天线单元馈电点相位为0°、90°，第二行天线单元馈电点相位为90°、180°。
9.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，由两行四列八阵元组成。
10.如权利要求1所述的一种宽带双层圆极化微带阵列天线，其特征在于，下层金属圆形贴片介电常数要不小于上层金属圆形贴片介电常数。
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